劉向東，王超，陳永平，(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 57；東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 0096)

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基于紅外熱成像的脈動(dòng)熱管運(yùn)行及傳熱特性分析

劉向東1，王超1，陳永平1，2
(1揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

摘要：基于紅外熱成像技術(shù)和高速可視化觀測(cè)手段，得到了不同熱負(fù)荷下脈動(dòng)熱管冷凝段表面的溫度分布和管內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)，分析了兩者與熱管傳熱性能間的內(nèi)在聯(lián)系。研究表明：隨著熱負(fù)荷的升高，工質(zhì)準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)依次呈現(xiàn)單管小幅脈動(dòng)、管間大幅脈動(dòng)和整管單向循環(huán)3種模式；冷凝段內(nèi)主要出現(xiàn)泡狀流和塞狀流兩種流型且離散氣泡所占的份額逐漸減?。徊煌\(yùn)行模式下工質(zhì)能質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)度的差異導(dǎo)致脈動(dòng)熱管冷凝段壁溫分布各具特征；冷凝段表面的紅外熱圖像可成為辨識(shí)管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)和判斷熱管傳熱性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脈動(dòng)熱管；運(yùn)行狀態(tài)；紅外熱成像；氣液兩相流；傳熱

2015-08-24收到初稿，2015-11-07收到修改稿。

聯(lián)系人：陳永平。第一作者：劉向東（1984—），男，博士，講師。

Received date: 2015-08-24.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51406175)，the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140488) and the University Science Research Project of Jiangsu Province (14KJB470009).

引　言

脈動(dòng)熱管（又稱振蕩熱管）是20世紀(jì)90年代初由Akachi等[1]提出的一種新型熱管。它一般由毛細(xì)管呈蛇形反復(fù)彎折而成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、傳熱性能好、工作適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在微電子冷卻、空間飛行器熱控制、高效熱回收與熱利用等領(lǐng)域具有著良好的應(yīng)用前景[2-3]。

與傳統(tǒng)毛細(xì)芯熱管不同，脈動(dòng)熱管依靠管內(nèi)工質(zhì)在冷熱端相變壓差驅(qū)動(dòng)下的脈動(dòng)流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量從熱端向冷端的高效傳遞[2-3]。因此，充分認(rèn)識(shí)管內(nèi)氣液兩相脈動(dòng)流動(dòng)及其傳熱特性成為深入揭示脈動(dòng)熱管傳熱機(jī)理的關(guān)鍵。為此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者結(jié)合可視化技術(shù)和傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫方法對(duì)該關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。Tong等[4]和Xu等[5]采用高速攝影法觀測(cè)了脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液兩相工質(zhì)流型的產(chǎn)生和演化過(guò)程，獲得了熱管啟動(dòng)及準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中兩相工質(zhì)所存在的脈動(dòng)與循環(huán)等基本運(yùn)行方式。Khandekar等[6-7]則在對(duì)單回路脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)和傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)與熱管壁溫脈動(dòng)特征間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。Yang 等[8]和屈健等[9-11]采用熱電偶測(cè)溫方法分別觀測(cè)到了常規(guī)鋁基和微型硅基板式脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段和冷凝段特征點(diǎn)壁溫在啟動(dòng)階段的溫度“超調(diào)”現(xiàn)象，并以此作為熱管啟動(dòng)是否完成的判據(jù)，同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)管內(nèi)工質(zhì)的脈動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)直接決定著熱管冷熱端熱阻的大小。

綜上所述，現(xiàn)有研究表明脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行特性、局部壁溫脈動(dòng)特征及熱管傳熱性能之間密切相關(guān)，但由于傳統(tǒng)接觸式熱電偶測(cè)溫方法難以獲得熱管整體或區(qū)域壁溫連續(xù)分布特征，致使脈動(dòng)熱管壁溫分布特征及其與管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行和傳熱特性間的內(nèi)在聯(lián)系尚未被充分認(rèn)識(shí)。再者，在脈動(dòng)熱管實(shí)際工程應(yīng)用中，也亟需發(fā)展一類實(shí)用、方便的熱管運(yùn)行特性及傳熱性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。與常規(guī)接觸式熱電偶測(cè)溫手段相比，紅外熱成像技術(shù)可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面整體溫度場(chǎng)連續(xù)分布的實(shí)時(shí)觀測(cè)[12-15]。Khandekar等[16-17]利用紅外熱成像技術(shù)成功獲得了預(yù)埋有閉式脈動(dòng)熱管的均溫板在工作時(shí)的表面溫度連續(xù)分布特征，但這些研究并未對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行及傳熱特性與壁溫分布特征間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入探索。為此，本文結(jié)合紅外熱成像技術(shù)與高速可視化觀測(cè)方法，獲取脈動(dòng)熱管準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)及冷凝段表面紅外熱圖像，探尋管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)、冷凝段表面溫度分布及熱管傳熱性能間的內(nèi)在聯(lián)系，以期為發(fā)展脈動(dòng)熱管運(yùn)行特性及傳熱性能的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)提供一條新思路。

圖1　脈動(dòng)熱管可視化及紅外熱成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1　Schematic diagram of visualization and infrared thermal imaging on pulsating heat pipe

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電加熱系統(tǒng)、脈動(dòng)熱管系統(tǒng)、高速可視化與紅外熱成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用熱管由外徑Do=6.0 mm、內(nèi)徑Di=2.0 mm的石英玻璃毛細(xì)管經(jīng)過(guò)反復(fù)彎折制成，彎折數(shù)為5，10根相互平行的豎直管段編號(hào)如圖1 （b）所示。熱管整體垂直放置，長(zhǎng)度和寬度分別為400 mm和185 mm，自下而上分別為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段，其長(zhǎng)度分別為100、25、275 mm。熱管抽真空后充入工質(zhì)甲醇，充液率為47%。蒸發(fā)段采用鎳鉻加熱絲纏繞管壁均勻加熱，并將其與絕熱段埋入填充有保溫材料的保溫盒中，以減小熱量損失，實(shí)驗(yàn)中熱管熱負(fù)荷（電加熱功率）范圍為Q=10～200 W（Q的最大相對(duì)誤差為4.9%）。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在(25±0.5)℃的恒溫環(huán)境下進(jìn)行，通過(guò)風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流將冷凝段熱量釋放到周圍環(huán)境中。利用NEC TH9260紅外熱像儀及其相關(guān)測(cè)控軟件監(jiān)控、記錄和分析處理熱管冷凝段表面的紅外熱圖像。熱像儀的工作波長(zhǎng)為8～14 μm，熱靈敏度為±0.08℃，熱圖像分辨率為640×480像素。實(shí)驗(yàn)前，結(jié)合K型熱電偶與紅外熱像儀點(diǎn)測(cè)得到的溫度，對(duì)冷凝段表面的發(fā)射率進(jìn)行校核，并通過(guò)測(cè)控軟件對(duì)發(fā)射率、環(huán)境溫度等測(cè)試參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。經(jīng)以上調(diào)試后，紅外熱像儀對(duì)冷凝段表面溫度的測(cè)試結(jié)果與真實(shí)值間的偏差≤2℃。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免熱電偶測(cè)點(diǎn)及電偶絲對(duì)冷凝段紅外熱圖像完整性和連續(xù)性的干擾，僅在蒸發(fā)段每個(gè)U形彎頭處布置溫度測(cè)點(diǎn)，而冷凝段表面溫度則通過(guò)其紅外熱圖像讀取并記錄。采用OMEGA高精度K型熱電偶和6-1/2位的Agilent 34970數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量并儲(chǔ)存蒸發(fā)段測(cè)點(diǎn)的壁溫信息，熱電偶的布置位置和編號(hào)如圖1（b）所示，其測(cè)溫最大相對(duì)誤差為0.5%。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1管內(nèi)工質(zhì)準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)與分布特征

充分認(rèn)識(shí)脈動(dòng)熱管運(yùn)行過(guò)程中管內(nèi)復(fù)雜的氣液兩相運(yùn)行、分布及演化規(guī)律是深入揭示其脈動(dòng)工作特性及傳熱機(jī)理的基礎(chǔ)[3,18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從蒸發(fā)段受熱開(kāi)始，脈動(dòng)熱管會(huì)經(jīng)歷一個(gè)蒸發(fā)段溫度不斷上升和管內(nèi)工質(zhì)無(wú)規(guī)律運(yùn)行的啟動(dòng)階段[19]，然后熱管蒸發(fā)段溫度便趨于穩(wěn)定或有規(guī)律的脈動(dòng)，這時(shí)熱管內(nèi)工質(zhì)也進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。圖2給出了不同熱負(fù)荷下脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液兩相準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的可視化實(shí)驗(yàn)圖像。由圖可知：隨著熱負(fù)荷的升高管內(nèi)氣液兩相準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)主要呈現(xiàn)出3類模式：①單管小幅脈動(dòng)；②管間大幅脈動(dòng)；③整管定向循環(huán)。由于每個(gè)U形回路單元內(nèi)的氣液兩相行為在各自運(yùn)行模式下皆相似，所以本文對(duì)每個(gè)運(yùn)行模式各選取冷凝段某一倒U形管路內(nèi)的氣液兩相行為作為代表來(lái)進(jìn)行分析。當(dāng)脈動(dòng)熱管熱負(fù)荷較小時(shí)（Q=20～40 W），脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液兩相工質(zhì)往往呈現(xiàn)單管小幅脈動(dòng)，如圖2（a）所示。此時(shí)，脈動(dòng)熱管冷熱兩端的驅(qū)動(dòng)壓差小，氣液兩相工質(zhì)只在管內(nèi)做局部的小幅脈動(dòng)，單管冷熱兩端和相鄰兩平行管內(nèi)的工質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)交換。隨著熱負(fù)荷的提高（Q=50～110 W），脈動(dòng)熱管冷熱兩端的驅(qū)動(dòng)壓差增大并最終推動(dòng)工質(zhì)克服流動(dòng)阻力由蒸發(fā)段流入冷凝段乃至相鄰管內(nèi)，而后又激發(fā)相鄰管內(nèi)工質(zhì)產(chǎn)生反向的壓力差將工質(zhì)推回，如此循環(huán)往復(fù)。這時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)呈現(xiàn)出管間大幅脈動(dòng)，如圖2（b）所示。隨著熱負(fù)荷的進(jìn)一步升高，管間工質(zhì)大幅度脈動(dòng)的范圍會(huì)逐步擴(kuò)大到多個(gè)U形回路單元，直至最終達(dá)到整管定向循環(huán)模式（Q=120～200 W），如圖2（c）所示。在整管定向循環(huán)模式下，管內(nèi)工質(zhì)沿一固定的方向循環(huán)運(yùn)行，但由于管內(nèi)工質(zhì)及壓力分布的不均勻性，循環(huán)的速度并不穩(wěn)定，高低循環(huán)速度可隨機(jī)性地間歇出現(xiàn)。

圖2　脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式Fig. 2　Quasi-steady operation states of working fluids in pulsating heat pipe

此外，氣液兩相流型及其分布也是兩相工質(zhì)運(yùn)行過(guò)程中的重要特征。由圖2可知，脈動(dòng)熱管冷凝段內(nèi)出現(xiàn)的氣液兩相流型主要有泡狀流和塞狀流，而這些流型的細(xì)節(jié)特征（氣泡/氣塞的個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度等）在不同運(yùn)行模式下又各具特點(diǎn)。因此，為了定量描述不同運(yùn)行模式下管內(nèi)氣液兩相流型特征，特引入氣泡/氣塞長(zhǎng)度百分比Pi來(lái)進(jìn)行表征

式中，nt是參與統(tǒng)計(jì)的氣泡/氣塞的總量，ni則是指在總氣泡/氣塞數(shù)量中處于某一量綱1長(zhǎng)度L/Di范圍內(nèi)的氣泡/氣塞數(shù)量，其中L為氣泡/氣塞的長(zhǎng)度[圖2（c）]。據(jù)此，對(duì)脈動(dòng)熱管3種準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式熱負(fù)荷范圍內(nèi)所有實(shí)驗(yàn)工況中的冷凝段量綱1氣泡/氣塞長(zhǎng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)度為10 s），如圖3所示。在單管小幅脈動(dòng)模式下（Q=20～40 W），由于氣液兩相僅作小幅局部脈動(dòng)，氣泡/氣塞的形狀及相對(duì)位置都較為穩(wěn)定。此時(shí)，蒸發(fā)段核態(tài)沸騰不斷產(chǎn)生離散氣泡（L/Di<1）且不易相互聚并，使其在總氣泡/氣塞數(shù)量中所占比例最高[圖3 （a）]。隨著管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)入管間大幅脈動(dòng)模式，蒸發(fā)段的核態(tài)沸騰強(qiáng)度與工質(zhì)脈動(dòng)劇烈程度提高，使得離散氣泡逐漸聚并，長(zhǎng)氣塞（L/Di>70）不斷被“撕斷”，造成管內(nèi)中、短氣塞（1≤L/Di≤70）成分增多而離散氣泡和長(zhǎng)氣塞的比例相對(duì)減少[圖3（b）]。當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)入整管定向循環(huán)模式，管內(nèi)工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段間快速循環(huán)輸運(yùn)，過(guò)程中離散氣泡聚并、長(zhǎng)氣塞“撕斷”及冷凝縮短等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致中、短氣塞（1≤L/Di≤70）份額持續(xù)增大，離散氣泡和長(zhǎng)氣塞的比例繼續(xù)減少[圖3（c）]。

圖3　不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式下量綱1氣泡/氣塞長(zhǎng)度分布Fig. 3　Distribution of bubbles / plugs length under different quasi-steady operation states■　1≥L/Di; □　1

2.2冷凝段管壁溫度分布特征及傳熱特性

脈動(dòng)熱管主要依靠管內(nèi)工質(zhì)在冷熱兩端的能質(zhì)輸運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，因此管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)與熱管的傳熱性能密切相關(guān)。為此，圖4給出了不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式下冷凝段的典型紅外熱圖像。由圖可知，準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式的不同導(dǎo)致冷熱兩端的能質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)度產(chǎn)生差異，使得脈動(dòng)熱管冷凝段紅外熱圖像（即冷凝段管壁溫度分布）各具特征。需要說(shuō)明的是，本文實(shí)驗(yàn)工況下脈動(dòng)熱管石英玻璃管壁具有一定熱惰性（其導(dǎo)熱傅里葉數(shù)Fo = 8.2 × 10-2～9.4×10-2），因此，圖4所示的冷凝段紅外熱圖像（冷凝段管壁溫度分布）反映的是管內(nèi)工質(zhì)脈動(dòng)流動(dòng)傳熱所產(chǎn)生的一種平均結(jié)果。為了分析圖4給出的冷凝段管壁溫度的空間分布特征，分別采用如圖1所示的6#、7#豎直管段壁面的縱向溫度分布曲線（6#、7#豎直管段壁面沿縱向共有360條水平像素線，每條線上有7個(gè)像素點(diǎn)，取這7個(gè)像素點(diǎn)溫度的平均值作為該水平線所在縱向位置的壁溫值）和冷凝段區(qū)域水平線l1～l4上的橫向溫度分布曲線（每條水平線共有286個(gè)像素點(diǎn)）進(jìn)行定量表征，如圖5、圖6所示。由圖可知，單管小幅脈動(dòng)模式下，冷熱工質(zhì)僅依靠局部脈動(dòng)在冷凝段根部發(fā)生微弱的能質(zhì)交換，而在其他部分基本依靠自身的導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)能量傳遞，因此除了根部局部區(qū)域之外的冷凝段垂直管段溫度呈現(xiàn)自下而上的線性減小趨勢(shì)，如圖4（a）和圖5（a）所示。而從水平方向上看，冷凝段根部區(qū)域的管壁溫度會(huì)由于管內(nèi)工質(zhì)脈動(dòng)方向的不同而出現(xiàn)高低變化，如圖4（a）和圖6（a）所示。而在管間大幅度脈動(dòng)模式下，管中或管間的冷熱端工質(zhì)實(shí)現(xiàn)了交換，工質(zhì)可以通過(guò)大幅度的脈動(dòng)將蒸發(fā)段的熱量輸運(yùn)至冷凝段散失，冷凝段根部高溫區(qū)域的面積增大，整段的溫度水平升高，如圖4（b）和圖5（b）所示。同時(shí)，管中或管間的工質(zhì)脈動(dòng)幅度的不同導(dǎo)致各平行管在不同水平高度上的溫度高低變化（工質(zhì)向上脈動(dòng)幅度較大的管壁溫度較高，反之較低），如圖4（b）和圖6（b）所示。隨著管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)入整管單向循環(huán)模式，各垂直平行管段分別交替成為工質(zhì)的“上升管”和“下降管”，管壁溫度也隨之出現(xiàn)高低的交替變換，如圖4（c）、圖5（c）和圖6（c）所示。同時(shí)，由圖4（c）和圖5（c）可知，由于此時(shí)管內(nèi)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高效的潛熱吸熱/放熱和顯熱輸運(yùn)，因此“上升管”和“下降管”具有較小的縱向溫差。

圖4　不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式下的冷凝段紅外熱圖像Fig. 4　Infrared thermograph of condenser under different quasi-steady operation states

圖5　不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式下冷凝段縱向溫度分布Fig. 5　Vertical temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

圖6　不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行模式下冷凝段橫向溫度分布Fig. 6　Horizontal temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

為了分析脈動(dòng)熱管換熱性能與熱負(fù)荷、工質(zhì)運(yùn)行模式及冷凝段壁溫分布間的內(nèi)在關(guān)系，特采用整體熱阻R對(duì)脈動(dòng)熱管換熱性能進(jìn)行表征

圖7　熱阻與熱負(fù)荷、運(yùn)行模式及冷凝段紅外熱圖像之間的關(guān)系Fig. 7　Relationship among heat resistance，heat load，operation mode and infrared thermograph of condenserⅠ—small pulsation in single tube; Ⅱ—big pulsation among tubes;Ⅲ—unidirectional circulation

式中，Te和Tc分別為蒸發(fā)段和冷凝段的溫度平均值（為圖1（b）所示的蒸發(fā)段T1～T55個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的溫度平均值，為冷凝段管壁紅外熱圖像上所有像素點(diǎn)溫度的平均值）。如圖7所示，單管小幅脈動(dòng)模式下，熱管基本依靠管體和管內(nèi)工質(zhì)導(dǎo)熱實(shí)現(xiàn)冷熱端熱量交換，傳熱性能差，熱阻高且其隨熱負(fù)荷升高而減小的幅度較??；管間大幅度脈動(dòng)明顯改善了工質(zhì)在冷熱兩端的能質(zhì)輸運(yùn)能力，而且隨著熱負(fù)荷的升高，工質(zhì)管間大幅度脈動(dòng)的范圍逐步擴(kuò)大，使得該運(yùn)行模式下脈動(dòng)熱管傳熱性能的改善程度最為明顯（熱阻下降幅度最大）；當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)入整管定向循環(huán)狀態(tài)之后，管內(nèi)工質(zhì)具備了高水平的能質(zhì)輸運(yùn)能力，熱阻進(jìn)一步減小并隨著熱負(fù)荷的增大而趨于穩(wěn)定。這主要是由于循環(huán)工質(zhì)的能量攜帶量受到充液量的限制，熱管傳熱能力逐漸趨于定值。更值得注意的是，工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變引起脈動(dòng)熱管冷凝段表面的溫度分布呈現(xiàn)出不同的特征，從而使脈動(dòng)熱管冷凝段管壁的紅外熱圖像成為辨識(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)和判斷熱管傳熱性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。

3　結(jié)　論

（1）隨著熱負(fù)荷的升高，脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)依次呈現(xiàn)單管小幅脈動(dòng)、管間大幅脈動(dòng)和整管單向循環(huán)3種模式，且熱管傳熱性能逐漸提高。

（2）準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，脈動(dòng)熱管冷凝段內(nèi)的氣液兩相流型主要包括泡狀流和塞狀流，并且隨著熱負(fù)荷的升高，冷凝段內(nèi)離散氣泡所占的份額逐漸減小。

（3）不同準(zhǔn)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下工質(zhì)能質(zhì)輸運(yùn)強(qiáng)度的差異導(dǎo)致脈動(dòng)熱管冷凝段壁溫分布呈現(xiàn)出不同特征，由此，冷凝段表面紅外熱圖像可成為辨識(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)和判斷熱管傳熱性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。

值得注意的是，由于實(shí)驗(yàn)中熱管本體熱惰性的影響，本文并未建立脈動(dòng)熱管管壁表面溫度脈動(dòng)與管內(nèi)氣液兩相脈動(dòng)流動(dòng)間的實(shí)時(shí)聯(lián)系，而此聯(lián)系的建立將為揭示脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)脈動(dòng)流動(dòng)與傳熱的耦合機(jī)理具有重要意義，因此尚需對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。

符號(hào)說(shuō)明

D——管徑，mm

Fo——導(dǎo)熱傅里葉數(shù)

L——?dú)馀?氣塞長(zhǎng)度，mm

li——冷凝段橫向溫度分布取樣線(i=1,2,…)

n——?dú)馀?氣塞個(gè)數(shù)

Pi——?dú)馀?氣塞長(zhǎng)度百分比，%

Q——熱負(fù)荷，W

R——熱阻，K·W-1

T——溫度，℃

T——平均溫度，℃

Ti——蒸發(fā)段溫度測(cè)點(diǎn)代號(hào)(i=1,2,…)

ΔT ——溫差，℃

Δt ——時(shí)間間隔，s

下角標(biāo)

c ——冷凝段

e ——蒸發(fā)段

i ——內(nèi)部

o ——外部

t ——總共

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Analysis of operation and heat transfer characteristics in pulsating heat pipe based on infrared thermal imaging technology

LIU Xiangdong1，WANG Chao1，CHEN Yongping1,2
(1School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:By combination of infrared thermal imaging technique and high-speed visualization method，the surface temperature distribution of condenser in a pulsating heat pipe (PHP) and operating state of working fluid inside the PHP are obtained and the relationship between them and heat transfer performance of the PHP is analyzed. The results indicate that the working fluid sequentially exhibits three quasi-steady operation modes with the increasing heat load viz. small pulsation in single pipe，large pulsation among different pipes and unidirectional circulation. In addition，in the condenser the dominated flow patterns are dispersed bubbles and vapor plugs，and the proportion of the dispersed bubbles decreases with increasing heat load. The difference in strength of heat and fluid flow in the PHP leads to the different characteristics of temperature distribution in the condenser，implying that the infrared thermal image of condenser is an important evidence to the evaluation of working fluid operation and heat transfer performance of the PHP.

Key words:pulsating heat pipe; operation states; infrared thermal imaging; gas-liquid flow; heat transfer

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151338

中圖分類號(hào)：TK 124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）04—1129—07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51406175）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20140488）；江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（14KJB470009）。

Corresponding author:Prof. CHEN Yongping，chenyp@yzu.edu.cn